淺析非公路自卸汽車全液壓式舉升機構的建模與仿真論文

自卸車中使用的舉升液壓系統通常分為液壓助力式和全液壓式兩種。首鋼汽車製造廠生產的SGA3550 型非公路自卸式汽車是由北京科技大學研製開發的擁有獨立知識產權的產品，採用的是技術成熟、作用力大、系統剛性好的全液壓式舉升系統，整車長7 578 mm，寬3 890 mm，高3 570 mm，前輪距3 100 mm，後輪距2 550 mm，軸距3 650 mm，主銷中心距2 100 mm，滿載爬坡度15%，接近角20°，離去角48°，最小轉彎半徑<9 m，本文利用ADAMS軟件對該車的全液壓舉升機構進行建模與仿真。

1 SGA3550 型自卸車全液壓舉升系統組成

SGA3550 型自卸車舉升系統主要由舉升缸、節流閥、單向閥、電液換向閥、溢流閥、舉升泵、油箱及各管路組成。舉升泵採用“常齧合取力器+齒輪泵”型式，通過取力器從變速箱上取力，採用4 級伸縮末級雙作用液壓缸作為執行元件，用一個三位四通電液換向閥來控制貨廂的舉升和回落，有杆腔回油路上使用可調單向節流閥，控制舉升的速度。系統流量245.4L/min，舉升缸實際工作中最大工作壓力為12.7MPa。

2 舉升系統機械結構仿真模型

為了簡化模型加快設計進度，本設計利用ADAMS 軟件對SGA3550 型自卸車舉升機構建立仿真模型。

3 舉升液壓系統的設計

3.1 舉升液壓系統的設計流程

國內對於礦用自卸汽車液壓舉升系統的設計，基本上採用的是傳統的經驗性設計，即分別對舉升機構和舉升液壓系統進行設計，二者再通過舉升液壓缸最大舉升力和舉升液壓系統最高油壓來相互協調，而對貨箱舉升回落過程中，機械系統與液壓系統間的`相互作用則不予考慮，這樣就無法瞭解舉升過程中，機械和液壓系統的真實情況。

作者根據設計經驗，提出自卸汽車舉升液壓系統的一般設計流程：首先確定最大舉升力和系統壓力，計算出舉升缸最大內徑，並根據舉升高度來確定各個舉升缸的內徑和行程;其次根據舉升容量和時間確定舉升時流量，並通過流量、泵轉速及其所要實現功能擬定出的液壓原理圖來確定所需要的舉升泵，進而確定液壓閥和各附件;最後對舉升液壓系統進行建模與仿真。此設計流程優勢在於能根據仿真結果再次對舉升機構進行優化設計、建模，以此循環，找到最優解。

3.2 舉升缸的結構

為使整車結構緊湊，重心降低，達到貨廂對車架的衝擊減小、貨廂到達舉升終點時的限位以及貨廂回落時的限速等目的，SGA3550 型自卸車舉升機構採用後置雙缸直頂式舉升機構，採用液體壓力作為舉升動力，舉升液壓缸為4 級伸縮，末級雙作用，內泄式限位，回落時限速採用回油節流形式ADAMS/Hydraulics 中沒有多級液壓缸的模型，根據舉升液壓缸工作原理，可將其分解為若干個相互連通的單級液壓缸的組合，將4 級伸縮末級雙作用舉升液壓缸分解成3 個柱塞缸和1 個單杆活塞缸

4 舉升液壓系統的建模

根據對國內文獻的統計，對礦用自卸汽車液壓系統的研究，主要還是通過建立數學模型，利用MATLAB/SIMULINK 等工具對所建立的模型進行仿真，很少對由機械系統、液壓系統和控制系統等組成的耦合系統進行多領域協同仿真。本文將虛擬樣機技術引入礦用自卸汽車設計中，通過分析多級伸縮末級雙作用液壓缸的內部結構和工作原理，採用實體建模方式，利用ADAMS/Hydraulics 對舉升液壓系統進行建模。

其中一級缸、二級缸、三級缸為柱塞缸，四級缸為單杆活塞缸，4 個單級液壓缸的無杆腔通過集流器相互連通，四級缸的有杆腔通過限位閥(可調節流閥)與4 個液壓缸的無杆腔相連。貨箱舉升過程中，該閥是關閉的，當舉升至終點(舉升缸伸長量大於某一值)時，限位閥打開，舉升缸上下腔連通，實現內泄式限位。舉升缸的無杆腔進油口和有杆腔進油口用2 個節流閥模擬。這樣，一級缸、二級缸、三級缸、四級缸、集流器、限位閥、無杆腔進油口和有杆腔進油口組成了一個4 級伸縮末級雙作用內卸式限位的舉升液壓缸，由此，就可以對液壓舉升系統進行多領域協同仿真，對多級液壓缸後置直頂式舉升機構實現參數化建模。

5 舉升液壓系統模型仿真

ADAMS/Hydraulics 對舉升機構液壓系統進行空車舉升和平裝滿載舉升。

5.1 空車舉升

首先進行空車仿真，仿真時間取95 s，步長0.001 s，舉升缸內油壓隨時間的變化仿真結果。在貨箱舉升、回落過程中，當每一級缸筒或活塞桿伸出和縮回時，無杆腔內油壓都會出現衝擊，每個油壓峯值是由4 級伸縮末級雙作用舉升液壓缸的內部結構決定的，是不可避免的

5.2 平裝滿載舉升

貨箱平裝滿載42 t 的貨物，發動機怠速運轉，仿真時間取55 s，步長0.001 s，仿真結果。

滿載舉升比空車舉升時舉升缸內無杆腔內油壓高很多，但每一級缸筒伸出時油壓的振盪小了。

空車舉升、滿載卸貨舉升和滿載不卸貨舉升3 種情況下舉升缸舉升力的變化。可以看出，滿載卸貨舉升和滿載不卸貨舉升時舉升缸受力相差不大;滿載不卸貨舉升臨近終點時，舉升缸受到拉力，方向與推力相反，故出現一個拐點。

6 結論

將虛擬樣機技術引入到SGA3550 型礦用自卸汽車設計中，通過分析多級伸縮末級雙作用內泄式限位舉升缸的內部結構，在ADAMS/VIEW 中建立舉升缸的仿真模型，實現了機械系統與液壓系統的耦合，進而建立了整個液壓舉升系統的仿真模型。

礦用自卸汽車液壓舉升系統仿真結果表明：在貨箱舉升、回落全過程中，舉升缸無杆腔內先後出現了(2n+1)個油壓峯值(n 為舉升缸級數)，發動機轉速越高，油壓衝擊越大;滿載舉升時，舉升缸內油壓振盪比空車舉升時有所減輕。